自動(dòng)檢測(cè)學(xué)生接線正確性的實(shí)訓(xùn)裝置*

◆楊軍 楊林對(duì) 陳輝 潘健彬 謝文杰

自動(dòng)檢測(cè)學(xué)生接線正確性的實(shí)訓(xùn)裝置*

◆楊軍 楊林對(duì) 陳輝 潘健彬 謝文杰

電工類課程實(shí)訓(xùn)時(shí)，現(xiàn)在通常是讓學(xué)生用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線將真實(shí)部件連接起來，等待教師檢查后通電運(yùn)行。這種教學(xué)手段效率低，學(xué)生接線有錯(cuò)誤而急于通電，常導(dǎo)致部件損壞。由計(jì)算機(jī)來檢測(cè)學(xué)生接線正確性的實(shí)訓(xùn)裝置，能在學(xué)生有真實(shí)動(dòng)手體驗(yàn)的前提下，自動(dòng)檢測(cè)出接線是否正確，避免損壞部件，提升教學(xué)效率。本裝置已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利。

實(shí)訓(xùn)裝置；接線；自動(dòng)檢測(cè)

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.159

1 引言

高職學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)重要的技能目標(biāo)，是學(xué)會(huì)按照電路圖正確接線，進(jìn)而達(dá)到熟練的程度。以筆者所在學(xué)校為例，電工基礎(chǔ)、電工考證、PLC等課程都有這一技能要求。教學(xué)中，學(xué)生常出現(xiàn)各種接線錯(cuò)誤，若有接線錯(cuò)誤仍加電，就很容易導(dǎo)致跳閘、熔斷器熔斷以及線路和部件損壞，影響正常教學(xué)［1］。所以，通常要求由教師檢查無誤后，才可以通電。但這樣一來，學(xué)生要等教師有空來檢查自己的電路，教學(xué)效率就不高，更重要的是會(huì)挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。筆者就見到過有學(xué)生等了好幾分鐘，終于等來教師檢查、指出錯(cuò)誤，改了再等，教師再檢查、指出錯(cuò)誤讓其改，但學(xué)生已經(jīng)無信心和耐心來練習(xí)了。

怎么解決這個(gè)問題？一個(gè)辦法是使用純計(jì)算機(jī)的仿真軟件，已經(jīng)有一些軟件，如“電工仿真”，能幫助學(xué)生提高接線技能。但不少學(xué)生練習(xí)純計(jì)算機(jī)仿真軟件后，仍不會(huì)真實(shí)接線，原因是：

1）操作規(guī)則還是與真實(shí)接線不同，屏幕上可能是點(diǎn)錯(cuò)了就無反應(yīng)，點(diǎn)對(duì)了就一下將此“線號(hào)”的所有線全連接好了；

2）通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)在屏幕上“接線”，與使用螺絲刀進(jìn)行真實(shí)接線相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)大不相同。

那么，有沒有一個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置，能夠讓學(xué)生有真實(shí)接線那樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，且不用教師來檢查糾錯(cuò)，還不會(huì)損壞部件呢？這正是本文要介紹的“自動(dòng)檢測(cè)學(xué)生接線正確性的實(shí)訓(xùn)裝置”（以下簡(jiǎn)稱“本實(shí)訓(xùn)裝置”）。其原理可概括為兩點(diǎn)：讓學(xué)生在部件引出的端子上真實(shí)接線；用計(jì)算機(jī)來檢測(cè)接線的正確性。

2 實(shí)現(xiàn)方案

本實(shí)訓(xùn)裝置分基本型、切換型、總線型。本文主要介紹基本型和切換型。先看基本型，也可稱為“空殼部件”型。下面以一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)例來說明，其結(jié)構(gòu)如圖1所示（有對(duì)應(yīng)的圖表）。

圖1 本實(shí)訓(xùn)裝置基本型的結(jié)構(gòu)

本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型里面要用到“空殼部件”（或元件、器件，下文統(tǒng)稱部件）?！翱諝げ考迸c實(shí)際搭建電路用的實(shí)訓(xùn)部件外觀相同，包括接線端子位置也是相同的；但在空殼部件內(nèi)部，各個(gè)端子間完全電氣絕緣。空殼部件各個(gè)接線端子的內(nèi)側(cè)焊接引出一條導(dǎo)線（圖1中用實(shí)線表示），稱為“檢測(cè)線”?！皺z測(cè)線”在空殼元件內(nèi)部匯集起來，組成多芯電纜，通到接口板。圖1中，4個(gè)空殼部件共有8個(gè)端子，對(duì)應(yīng)8條導(dǎo)線（“檢測(cè)線”），分成4根電纜連到接口板。

接口板通常是單片機(jī)電路，當(dāng)然也可以采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集與控制卡，如DMP 401、Labjack系列。與上位機(jī)的連接用USB口（當(dāng)然用并口、串口也可以）。上位機(jī)用PC，安裝本實(shí)訓(xùn)裝置的人機(jī)界面、控制軟件。本實(shí)訓(xùn)裝置中，若接口板用單片機(jī)，并且為單片機(jī)配上觸摸屏等人機(jī)界面，則可以不用上位機(jī)，就成為本實(shí)訓(xùn)裝置的簡(jiǎn)化版本了。

本實(shí)訓(xùn)裝置能夠檢測(cè)各類電工、電子實(shí)訓(xùn)電路。這里用一個(gè)總端子較少的電路“簡(jiǎn)A電路”為例，介紹其工作原理?！昂?jiǎn)A電路”的原理圖如圖2所示（有對(duì)應(yīng)的圖表）。

簡(jiǎn)A電路圖中給每個(gè)部件兩端標(biāo)了號(hào)碼0～7，是為了請(qǐng)讀者對(duì)應(yīng)接口板I/O端口號(hào)，更易理解本文。

表1 接口板僅I/O端口0為輸出（高電平）時(shí)，各端口的電平

表2 接口板僅I/O端口1為輸出（高電平）時(shí)，各端口的電平

圖2 “簡(jiǎn)A電路”的原理圖

圖3 用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線將空殼部件連接起來

學(xué)生先按照簡(jiǎn)A電路圖原理圖的要求，用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線在空殼部件的端子上，用螺絲刀等工具，或者插接，進(jìn)行真實(shí)的接線操作，接好的電路如圖3（有對(duì)應(yīng)的圖表）所示。圖中，實(shí)線是“檢測(cè)線”，虛線表示實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線。

這時(shí)實(shí)際上形成圖4（有對(duì)應(yīng)的圖表）所示的電路（為了不顯得雜亂，接口板上I/O端口3～6上的檢測(cè)線未畫出）。圖4（有對(duì)應(yīng)的圖表）反映了用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線連接空殼部件后，接口板上各I/O端口間就會(huì)具有一定的實(shí)際連通關(guān)系：通過實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線，接口板上I/O端口0、4、6連接在一起（對(duì)應(yīng)線號(hào)F），I/O端口1、2連接在一起（對(duì)應(yīng)線號(hào)H），I/ O端口3、5、7連接在一起（對(duì)應(yīng)線號(hào)K）。本文中稱這種連通關(guān)系為“接線圖”。

圖4 用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線連接空殼部件后實(shí)際形成的電路的原理圖

接口板對(duì)各I/O端口進(jìn)行掃描，就能得到一組二進(jìn)制數(shù)，這一組二進(jìn)制數(shù)就可以表示接線圖。下面介紹怎樣通過掃描建立一組二進(jìn)制數(shù)，來表示圖3所對(duì)應(yīng)的接線圖。

上位機(jī)先將接口板置為I/O端口0為輸出高電平，其他I/O端口（端口1～7，都帶有下拉電阻）為輸入。各端口的電平，高電平記為1，低電平記為0，I/O端口0正在輸出高電平，也記為1。各I/O端口的電平都填入表格中，如表1所示（有對(duì)應(yīng)的圖表）。

將I/O端口7的電平對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為二進(jìn)制數(shù)的D 7位，將I/O端口6的電平對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為二進(jìn)制數(shù)的D 6位……如此依次將各I/O端口的電平對(duì)應(yīng)的數(shù)值填入二進(jìn)制數(shù)的各個(gè)位，則得到一個(gè)二進(jìn)制數(shù)010 100 01 B。它表示接口板上I/O端口0、4、6，通過空殼部件，被實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線連接在一起，而其他端口都未與這三個(gè)端口連接。實(shí)際上，這三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的就是“簡(jiǎn)A電路”的線號(hào)F。

上位機(jī)再將接口板置為I/O端口1輸出高電平，其他I/O端口（端口0，2～7，都帶有下拉電阻）為輸入，就會(huì)如表2所示（有對(duì)應(yīng)的圖表）。

將各I/O端口的電平對(duì)應(yīng)的數(shù)值填入二進(jìn)制數(shù)的各個(gè)位，則得到一個(gè)二進(jìn)制數(shù)000 001 10 B，它表示接口板上I/O端口1、2通過實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線連接在一起，而其他端都未與這兩個(gè)端連接。

繼續(xù)這一測(cè)試過程，掃描完成后，共得到8個(gè)二進(jìn)制數(shù)。這一組（8個(gè)）二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成“簡(jiǎn)A電路”的01號(hào)“判別規(guī)則庫(kù)”，反映了通過實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線在空殼部件上做出（此種）正確連接時(shí)，接口板各端子間的通斷關(guān)系。有讀者會(huì)注意到，8個(gè)二進(jìn)制數(shù)中有彼此相同的。如010 100 01 B這個(gè)數(shù)，01號(hào)判別規(guī)則庫(kù)里應(yīng)當(dāng)有三個(gè)，如果只有一個(gè)或者兩個(gè)，就是計(jì)算機(jī)（包括接口板）工作不正常。

有判別規(guī)則庫(kù)后，就可以讓學(xué)生使用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線在空殼元件上接線。接好后，用前述的掃描測(cè)試方法，得到一組（8個(gè)）二進(jìn)制數(shù)，本文稱它為“學(xué)生接線數(shù)據(jù)組”。顯然，對(duì)于“簡(jiǎn)A電路”，“學(xué)生接線數(shù)據(jù)組”的內(nèi)容如果與01號(hào)判別規(guī)則庫(kù)內(nèi)容相同，則說明學(xué)生接線形成的通斷關(guān)系與圖3相同，學(xué)生接線是正確的。進(jìn)行比較的工作由計(jì)算機(jī)程序完成，此處不贅述。

如果不同，計(jì)算機(jī)程序就可以分析并且告知學(xué)生本次接線結(jié)果與正確接線的區(qū)別在哪里，及將學(xué)生所接線轉(zhuǎn)化成原理圖讓學(xué)生對(duì)照。有區(qū)別可能是接錯(cuò)，如電壓表極性接反了；也可能是另一種正確接線法，如12 V 10 W的燈泡上，6號(hào)與7號(hào)連接端子互換了，這時(shí)只需教師操作，將本“學(xué)生考核數(shù)據(jù)組”存為“簡(jiǎn)A電路”的02號(hào)判別規(guī)則庫(kù)?！昂?jiǎn)A電路”的所有判別規(guī)則庫(kù)組成“簡(jiǎn)A電路”的判別規(guī)則總庫(kù)。后繼的考核中，只要“學(xué)生接線數(shù)據(jù)組”與“判別規(guī)則總庫(kù)”中任一“判別規(guī)則庫(kù)”內(nèi)容相同，都可認(rèn)定學(xué)生接線正確。

至此，本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型的原理要點(diǎn)——用空殼元件練習(xí)接線、用計(jì)算機(jī)來檢測(cè)接線的正確性——已經(jīng)介紹完?？梢?，它既有真實(shí)接線的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，不用教師來檢查糾錯(cuò)，還不會(huì)損壞部件，滿足了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要。

3 功能方面的擴(kuò)展

本實(shí)訓(xùn)裝置檢測(cè)時(shí)，不僅比教師快得多，而且不會(huì)放過任何接線錯(cuò)誤。本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型還可以增加很多功能，為接線學(xué)習(xí)提供便利。

1）給每個(gè)空殼部件的每個(gè)端子的旁邊裝一個(gè)指示燈。學(xué)生在上位機(jī)屏幕上顯示的原理圖中，用鼠標(biāo)點(diǎn)一下某個(gè)部件的符號(hào)，則計(jì)算機(jī)讓此空殼部件各端子處的指示燈都亮，學(xué)生就知道此符號(hào)所對(duì)應(yīng)的部件實(shí)物外形是什么樣子，這可以引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)符號(hào)與實(shí)物的對(duì)應(yīng)關(guān)系；用鼠標(biāo)點(diǎn)一下原理圖中某條連線，則計(jì)算機(jī)讓此線連接到的各端子旁邊的指示燈都點(diǎn)亮，學(xué)生將這些端子接到一起，就完成了此線號(hào)。

2）將某實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線一端接入電路后，另一端應(yīng)當(dāng)接到哪個(gè)空殼部件的哪個(gè)端子上？除了剛才說的“讓此線號(hào)各端子處的指示燈全點(diǎn)亮”的方法，還可在本實(shí)訓(xùn)裝置上加設(shè)一個(gè)“提示端子”來指引學(xué)生。“提示端子”輸出脈沖信號(hào)，只要用“另一端”碰著本實(shí)訓(xùn)裝置上的“提示端子”，計(jì)算機(jī)就可識(shí)別出此實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線已經(jīng)接入的這一頭是屬于哪個(gè)線號(hào)，哪些端子已經(jīng)接入此線號(hào)。各空殼部件端子處的指示燈已經(jīng)接入此線號(hào)的將點(diǎn)亮，待接的則閃爍，指引學(xué)生完成此線號(hào)。

若某個(gè)端子只連接到了本實(shí)訓(xùn)裝置上的“提示端子”，則計(jì)算機(jī)可探測(cè)出這是哪個(gè)空殼部件的哪個(gè)端子，并在屏幕上的原理圖中高亮、閃爍提示。這樣一來，學(xué)生就可以知道每個(gè)空殼部件和每個(gè)端子對(duì)應(yīng)屏幕上的原理圖中哪個(gè)符號(hào)及哪個(gè)端。

3）學(xué)生連接時(shí)，上位機(jī)屏幕將原理圖中已經(jīng)接好的這部分同步著重顯示出來：已經(jīng)接對(duì)的高亮顯示；接錯(cuò)的部分則閃爍顯示。一旦發(fā)現(xiàn)會(huì)造成短路、燒壞的錯(cuò)誤接線，則計(jì)算機(jī)立即發(fā)出警告。這些都能讓學(xué)生即時(shí)得到反饋，有如一位教師在旁邊專門指導(dǎo)自己接線。

本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型已經(jīng)可以滿足很多實(shí)訓(xùn)需要。例如：很多實(shí)訓(xùn)臺(tái)原本就是將實(shí)訓(xùn)用的部件固定在掛箱上，學(xué)生用實(shí)訓(xùn)導(dǎo)線去插接；電工考證培訓(xùn)中，學(xué)習(xí)繼電器控制電路時(shí)，常是已經(jīng)將每個(gè)基本控制電路需用的電器固定在一塊底板上，做成實(shí)訓(xùn)屏，用螺絲刀等工具接線。本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型就可以做得與這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備有相同外形，便于學(xué)習(xí)。若需要增加I/O端口時(shí)，只需在接口板上增加單片機(jī)或者電子開關(guān)就可以。

本實(shí)訓(xùn)裝置的基本型用的是空殼部件，優(yōu)點(diǎn)是批量生產(chǎn)時(shí)成本很低，運(yùn)行時(shí)耗電、材料損耗都很少，無設(shè)備和人身危險(xiǎn)。但有時(shí)也希望學(xué)生能夠?qū)W習(xí)判斷部件好壞、測(cè)量部件特性、真實(shí)運(yùn)行，這時(shí)就可采用本實(shí)訓(xùn)裝置的另一個(gè)子類型，叫作“切換型”：改用真實(shí)電氣部件，增設(shè)用來讓學(xué)生接線的端子（以下簡(jiǎn)稱“學(xué)生端子”），以及受接口板控制的多組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)（以下稱其為“切換控制單元”）。由切換控制單元，將學(xué)生接在“學(xué)生端子”上的導(dǎo)線要么全部連接到實(shí)訓(xùn)部件上，要么全部連接到接口板上（單片機(jī)的I/O端口）。圖5（有對(duì)應(yīng)的圖表）就給出本實(shí)訓(xùn)裝置的“切換型”的硬件原理。在下面介紹切換型時(shí)，請(qǐng)讀者注意區(qū)分部件本身的端子（或引線）與專門讓學(xué)生接線的端子。部件本身的端子（或引線）不希望學(xué)生碰觸到，學(xué)生只能在“學(xué)生端子”上面測(cè)量、接線。

圖5 本實(shí)訓(xùn)裝置的切換型的原理

圖5中未畫出上位機(jī)，也未畫出學(xué)生所接的線。組裝本實(shí)訓(xùn)裝置時(shí)，學(xué)生端子的位置應(yīng)當(dāng)與部件本身的端子（或引線）引入裝置時(shí)所經(jīng)過的面板上的開孔盡量接近，以便讓學(xué)生感覺部件本身的端子（或引線）是通過導(dǎo)線直接接到學(xué)生用的端子上的。圖5是用繼電器的轉(zhuǎn)換接點(diǎn)來構(gòu)成切換控制單元，繼電器由接口板控制，兩個(gè)繼電器提供8組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)，線圈并聯(lián)，使接點(diǎn)同步動(dòng)作。8組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)，向右是常閉，學(xué)生所接的線將全部通過端子連接到實(shí)訓(xùn)部件上；向左是常開，學(xué)生接線全部被連接到接口板上。真實(shí)電路運(yùn)行時(shí)所需的電源也受接口板控制，所以圖5的電源用的是受控源的符號(hào)。切換原則如下。

1）在自動(dòng)檢測(cè)接線正確性的短暫時(shí)間里，8組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)都是打到左邊的，學(xué)生的接線全部被連接到接口板，由計(jì)算機(jī)檢測(cè)正確性。計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)提前提醒學(xué)生撤下所有萬(wàn)用表、示波器等儀器，不要手工對(duì)電路進(jìn)行任何測(cè)量。

2）自動(dòng)檢測(cè)前，也就是學(xué)生接線期間，8組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)都是切換到右邊。通過8組常閉接點(diǎn)，實(shí)訓(xùn)部件與學(xué)生接線用的端子接通，學(xué)生就可在端子上測(cè)量部件，判斷每個(gè)部件好壞；因?yàn)閷W(xué)生本來就感覺“部件本身的引線是直接接到學(xué)生用的端子上的”，所以增加了切換裝置后，學(xué)生也不會(huì)有什么不習(xí)慣。

3）自動(dòng)檢測(cè)后，若檢測(cè)認(rèn)定接線為正確的話，8組轉(zhuǎn)換接點(diǎn)才會(huì)全都切換到左邊，接口板使受控源有電能輸出，實(shí)訓(xùn)電路開始真實(shí)運(yùn)行，學(xué)生就可觀測(cè)運(yùn)行結(jié)果。由于接線正確才允許真實(shí)運(yùn)行，故不會(huì)發(fā)生跳閘、熔斷器熔斷以及線路和部件損壞等事故。

4 總結(jié)

綜上所述，通過引入計(jì)算機(jī)，本實(shí)訓(xùn)裝置能在電工類課程的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)中讓學(xué)生保持真實(shí)動(dòng)手體驗(yàn)的前提下，自動(dòng)檢測(cè)學(xué)生接線正確性，并可以進(jìn)一步提供提示、指引、同步糾錯(cuò)等功能，讓實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考核更加安全、可靠、高效。依照實(shí)訓(xùn)需要，適當(dāng)?shù)剡x擇本實(shí)訓(xùn)裝置的子類型，就能滿足實(shí)訓(xùn)需求，明顯提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考核的水平。本裝置已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利?！?/p>

［1］鄭發(fā)泰.基于單片機(jī)的電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（13）:156-158，164.

［2］涂金龍，王曉麗，郭新蘭.用于教學(xué)的電氣實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（9）:231-232.

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［4］羅勇，薛金水.電路與電工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社，2014.

TP391.6

B

1671-489X（2015）24-0159-04

*項(xiàng)目來源：廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助（項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2015b0732）。

作者：楊軍，廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院專任教師，講師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)；楊林對(duì)、陳輝、潘健彬、謝文杰，廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院（510520）。